摘 要： 提出了一種將SIP家庭網關技術和Web Service技術相結合的智能家居系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案，詳細介紹了系統(tǒng)各功能模塊，給出了在PDA上調用基于SIP家庭網關的Web服務來監(jiān)控家中各電器狀態(tài)的實現(xiàn)結果。該技術可以向用戶提供智能家居管理、遠程監(jiān)控等具體服務。
關鍵詞： 家庭網關； SIP協(xié)議； Web Service
隨著家庭網絡化的興起，如何設計一種集家電管理、協(xié)議轉換和家庭網絡監(jiān)控為一體的家庭網關，實現(xiàn)家用電器的網絡化、智能化和遠程控制，已成為當前研究的熱點。
在目前的智能家庭解決方案中，主要是基于家庭網關技術來實現(xiàn)用戶對家用電器的智能監(jiān)控和管理[1-3]。但是，目前基于家庭網關的智能家庭解決方案存在以下問題，首先是服務信息的發(fā)布，即如何讓用戶方便地獲得家庭網關所提供的各項服務的信息；其次是如何簡化用戶對服務信息的處理操作，讓用戶方便地處理服務信息；最后是如何對家庭網關所提供的各項服務進行管理。Web Service技術的出現(xiàn)解決了這些問題。
本文提出了一種將SIP家庭網關和Web Service技術相結合的智能家居監(jiān)控解決方案，通過將家庭網關對智能家電的管理和控制功能包裝成Web Service，在Web Service中心處發(fā)布以供用戶使用，可實現(xiàn)用戶在任何時間、任何地點對家中狀況的動態(tài)監(jiān)控和管理。同時，利用Web Service中心對各種Web的服務管理能力實現(xiàn)對各服務提供商SP所提供的各種服務的管理，包括：智能家庭相關服務的綜合管理；通過在Web Service中心引入鑒權和計費模塊，便于移動網絡運營商、各服務提供商SP對移動用戶的收費和管理。
1 SIP
SIP(Session Internet Protocol)是一種應用層控制信令協(xié)議,用于創(chuàng)建、修改和結束與一個或多個參與者的會話。這些會話可以包括Internet多媒體會議、遠程學習、Internet電話呼叫以及多媒體公布。起初SIP被作為建立互聯(lián)網會議、電話、多媒體和其他類型的通信會議可選擇的協(xié)議提出,之后,也被用于新型的通信服務,如即時短消息和應用級的跨網絡移動通信(包括無線通信)及跨用戶設備的通信。SIP借鑒了HTTP的設計思想和體系結構,使用了許多HTTP的消息類型和報頭域,用實體頭(內容類型描述)標識信息流的內容,并且考慮了認證授權,所使用的認證授權方法類似于Web中所使用的認證授權方法。
SIP協(xié)議基于文本,工作在應用層,可以建立、修改或結束一個或幾個參與者的會議,包括Internet多媒體會議、Internet電話呼叫以及多媒體公布。會議中的成員可以通過多點傳送(multicast)方式或單點傳送(unicast mesh) 方式，甚至兩者混合的方式進行通信。以現(xiàn)有的Internet為基礎來構架IP電話業(yè)務網, 因此SIP有著與H.323完全不同的設計思想。H.323域時，為了在局域網上提供無QoS多媒體通信,很大程度也借鑒了其他協(xié)議:如ISDN上的H.320、B-IS-DN上的H.321、PSIN上的H.324等,由于H.323最早為單個LAN的應用考慮的,在WAN(特別是存在大量H.323域時)上尋址、用戶定位和環(huán)路檢測方面較欠缺。SIP是一個分散式的協(xié)議,它將網絡設備的復雜性推向網絡邊緣,使核心網絡仍是一個“Best Effort”的傳送通道。與以前應用較廣泛的H.323標準相比,SIP具有更高的功能性和增長潛力,許多標準化住址和團體已經聲明或正在考慮對SIP的支持。Microsoft Messenger采用了SIP協(xié)議,而不是之前Microsoft NetMeeting所采用的H.323協(xié)議。
目前業(yè)界對SIP的支持越來越廣泛。全球大的運營商都轉向支持SIP方式,在北美和歐洲,多數(shù)新的方案都選用SIP ,國內的服務商在考慮組建新網絡時,也開始采用SIP。SIP可以提供PC機作為一個軟客戶的方式入網；可以通過IP電話,終端識別器的方式,也可以通過網關的方式入網；還可以提供多媒體服務IP電話、呼叫中心等個性化服務。
2 Web Service
Web Service是建立在開放的Internet基礎上的新型分布式計算模型，是在現(xiàn)有Web技術和設施的基礎上通過制定新的協(xié)議和標準、提出新的技術來實現(xiàn)的。利用Web Service技術，能夠創(chuàng)建出可供任何人從任何地方使用的功能非常強大的應用程序，它極大地拓展了應用程序的功能，并實現(xiàn)了軟件的動態(tài)提供。Web Service的優(yōu)勢在于它不像傳統(tǒng)的組件技術那樣依賴特定的對象模型協(xié)議，而是通過利用通用的Internet協(xié)議(如HTTP協(xié)議)和數(shù)據(jù)格式(如XML)來實現(xiàn)對服務的訪問。Web Service的請求者只要遵從Web Service接口的定義，即可以基于任何平臺、使用任何編程語言發(fā)送和接收信息。
Web Service采用SOA(Service-Oriented Architecture)模型作為體系結構,如圖1所示。
Web Service工作流程如下:
(1) 服務提供者所能提供的服務接口用WSDL(Web Service描述語言)和WSFL(Web Service流語言)描述出來。
(2) 服務中介者使用UDDI注冊服務接口，并接受服務請求者的查詢。
(3) 服務請求者通過使用UDDI在服務中介者處查詢,得到所需服務接口的描述文件，然后綁定到這些服務，最終完成服務調用。服務參與者之間的三種操作都采用簡單對象訪問協(xié)議(SOAP)完成。
3 智能家居系統(tǒng)的設計
3.1 整體方案
在該系統(tǒng)的設計過程中通過引入SIP家庭網關技術和Web Service技術，移動用戶利用手機或PDA等移動設備，通過查詢Web Service中心可遠程地獲得家中各智能家電的狀態(tài)，實現(xiàn)對智能家電的遠程控制，同時Web Service中心的計費和鑒權模塊可實現(xiàn)對用戶身份的認證和計費。
本系統(tǒng)由三個功能模塊組成：SIP家庭網關功能模塊、Web Service中心功能模塊和用戶控制終端功能模塊，如圖2所示。
本系統(tǒng)中SIP家庭網關完成內外異構網絡的協(xié)議解釋、轉換、分發(fā)等工作，并監(jiān)視、控制各節(jié)點的工作，對各個智能家電的控制服務包裝成SIP Web Service后在Web Service中心發(fā)布以供用戶使用。Web Service中心對各服務提供商SP所提供的Web服務進行發(fā)布和管理，同時對使用Web服務的移動用戶進行鑒權和計費。移動用戶通過各種移動終端如手機、PDA等接入Internet，通過查詢UDDI注冊中心，即可得到所需服務的WSDL文件，最后通過遠程調用的方式使用Web服務，查看家中電器狀態(tài)并對其進行控制。
3.2 系統(tǒng)模塊設計
系統(tǒng)各功能區(qū)域的模塊設計如圖3所示。
(1）SIP家庭網關模塊設計
SIP家庭網關負責對家中各智能家電的管理，并與Web Service中心進行通信，將家庭網關所提供的服務在Web Service中心處發(fā)布。SIP協(xié)議包含兩類組件:服務代理和網絡服務器。服務代理擔任著信息編譯碼和沖突檢測等工作；移動用戶終端和家庭網關進行統(tǒng)一格式的通信，對于移動終端發(fā)來的信息，服務代理分析信息包得出信息含義。網絡服務器主要為用戶代理提供注冊、認證和路由等服務，它又分為代理服務器、重定位服務器和注冊服務器。
(2) Web Service中心模塊設計
Web Service中心模塊主要包括用戶數(shù)據(jù)庫子模塊、UDDI注冊中心子模塊、Web服務處理子模塊和用戶計費子模塊。其中用戶數(shù)據(jù)庫子模塊負責對使用Web Service的用戶的認證；UDDI注冊中心子模塊負責發(fā)布Web Service及處理用戶對Web Service的查詢請求；Web服務處理子模塊負責對用戶調用Web服務的請求進行處理,調用SIP家庭網關側的SIP Web Service,并將服務調用結果返回給移動終端；計費子模塊負責對移動用戶進行計費。
(3) 用戶控制終端模塊設計
移動終端為用戶監(jiān)控家庭智能應用終端的通用遙控器，與家庭網關、Web Sercice中心進行雙向通信。移動終端攜帶方便，帶觸摸屏，具有良好的用戶界面，操作簡單。一個終端在手，用戶可以控制網絡中的所有節(jié)點，功能強大且性能穩(wěn)定。終端的功能由安全登錄、設備監(jiān)控組成。
安全登錄:啟動PDA后，移動終端生成用戶登陸頁面。用戶登錄子模塊完成用戶在調用SIP Web Service前,向Web Service中心提交身份認證的功能。終端采用異用戶異權限機制，不同的用戶(管理員、客人、一般用戶)具有不同的安全等級和操作權限。若登錄失敗，終端將反饋給用戶警告頁面，連續(xù)三次失敗，終端將自動關閉；登錄成功，則根據(jù)不同等級的用戶，終端生成不同控制頁面，控制頁面包含著Web服務查詢功能、消費服務操作、可以控制的設備以及設備對應的操作。
設備監(jiān)控:登錄成功后，用戶進入家庭控制頁面。用戶通過Web服務查詢子模塊完成用戶向UDDI注冊中心查詢所需Web服務的WSDL文件的功能。消費服務模塊根據(jù)用戶從Web Service中心處得到的Web服務的WSDL文件,以遠程調用的方式使用SIP Web Service。
4 移動終端調用SIP Web Service的實現(xiàn)
在本系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，SIP家庭網關和Web Service中心均由PC機來模擬，移動終端由PDA來模擬。
在移動終端上調用Web Service有兩種方法:一種是使用Enhydra組織的kSOAP API,通過建立能獨立處理SOAP消息的J2ME移動終端，生成SOAP請求并將請求直接發(fā)送到Web服務環(huán)境，進而調用Web Service，該方法不使用代理；另一種方法采用代理方式，移動終端通過一個代理Stub與Web Service進行交互，本系統(tǒng)中實現(xiàn)移動終端上調用SIP Web Service采用了代理方式。
開發(fā)時使用了SUN公司提供的WTK(Wireless Toolkit)中的Stub生成器來生成本地Stub的Java代碼，該Java代碼稱為代理的組件。J2ME客戶程序將調用SIP Web Service所需的全部信息發(fā)送給該組件，該組件將這些信息封裝為SOAP請求后發(fā)送到Web Service中心并等待應答。代理組件從Web Service中心收到SOAP應答后即從SOAP消息中提取出結果信息并將其呈現(xiàn)給J2ME客戶端。在代碼的實現(xiàn)中使用了用于J2ME設備上調用Web Service功能的可選包JSR172，整個系統(tǒng)流程如圖4所示。
本文將SIP家庭網關技術和Web Service技術融合到智能家庭系統(tǒng)解決方案中，較好的解決了傳統(tǒng)的單獨基于家庭網關的智能家庭系統(tǒng)存在的缺陷。標準SIP協(xié)議的使用，既解決了當前家電設備所存在的管理、命名和移動等一系列問題，也使遠程控制程序設計者不必關心家庭網關的實現(xiàn)細節(jié)。通過在PC機及PDA上的測試表明，該系統(tǒng)不僅能滿足用戶隨時隨地對家電狀況的監(jiān)控，同時也實現(xiàn)了Web Service中心對家庭網關提供的各項服務信息的管理以及對用戶的計費。
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